暗物質的證據(evidence for dark matter)
想像旋轉的旋轉木馬:外圈的乘客得比靠近中心的人抓得更緊,因為外圈轉得更快。星系的行為與此相同——只不過旋轉星系最外緣的那些恆星轉得太快了,靠可見恆星和氣體的引力根本拉不住它們。按理說它們早該甩飛到太空裡去。可它們沒有,這就意味著那裡有某種看不見的東西,用額外的引力攥住了它們。這種看不見的東西叫暗物質,如今證明它存在的證據已經壓倒性地充分,儘管從沒有人捧起過一塊。
證據不是來自單一的觀測,而是來自許多彼此獨立、卻全都指向同一方向的觀測。星系的旋轉速度是其一。另一個是整團整團的星系群如何彎折它們背後天體的光,這種效應叫重力透鏡——這種彎折遠比可見物質所能造成的強得多。宇宙微波背景,也就是早期宇宙留下的餘暉,帶著一道精確的指紋,只有當宇宙中絕大部分物質都是暗的時候才對得上。而在著名的子彈星系團裡,兩團星系群相撞:普通氣體堆在了中間,但重力(由透鏡測出)卻隨著恆星一道往前奔去,這表明暗物質徑直穿了過去,正如一種幾乎不發生作用的物質應有的表現。
把這一切加在一起,普通物質——一切由原子構成的東西,所有的恆星、行星、氣體和人——只占宇宙總物質的約六分之一。其餘的,大約是它的五倍,是暗物質,我們僅憑它的引力才知道它在那裡。它究竟是什麼,至今仍是整個物理學中最大的懸案之一,而它恰好端坐在粒子物理學與宇宙學的交界線上,因為最主流的解釋是:它是某種標準模型並不包含的新型粒子。
在我們自己銀河系的外圍,恆星無論身處多遠,繞轉的速度都大致相同——這條平坦的「旋轉曲線」靠可見物質根本說不通,但用一圈包裹星系的暗物質暈就能乾淨俐落地解釋。
星系旋轉的樣子,彷彿被看不見的額外質量拉住。
暗物質只是憑它的重力被推斷出來的;我們從未用別的任何方式探測到它。少數物理學家主張,真正的解決之道也許是修改重力定律本身,不過這種想法很難解釋全部觀測,尤其是子彈星系團。